QGIS应用教学——降雨量的空间插值与等值线绘制

一、从孤立的观测站到连续的雨量图

当我们打开附件中从 NOAA（美国国家海洋和大气管理局）下载的气象数据时，映入眼帘的往往是一张枯燥的电子表格，表格里记录着市区及周边各个气象观测站的经纬度坐标以及对应的降雨量数值。在地图上，这些数据表现为一个个孤立的“点”。如果我们想知道站点中间的区域下了多少雨，或者降雨中心在哪里，仅凭这些零散的点是很难直观回答的。因为雨水不会只落在气象站的雨量筒里，它是连续覆盖在大地上的。

为了解决这个问题，我们需要借助计算机技术将这些离散的点通过数学方法编织成一张覆盖整个区域的“网”，这个过程在地理信息系统中被称为空间插值，就像是根据已知的拼图碎片去推测缺失部分的画面。软件会根据周围气象站的降雨量，按照距离远近等规则，科学地估算出没有观测站区域的降雨量。通过这一步，我们将原本孤立的数据点转化为了一个连续变化的表面（栅格数据），就像是用画笔将颜料晕染开来，让我们能够看到整个城市降雨量的平滑过渡。

一旦拥有了连续的降雨量分布图，下一步就是提取等值线。通过将降雨量相同的点连接成封闭的线圈，观察这些线条的形状和疏密，我们不仅能一眼看出哪里是暴雨中心（线条闭合且数值最高处），还能判断降雨的分布趋势是向哪个方向延伸。接下来我们使用 QGIS进行教学，将 NOAA 气象数据从枯燥的表格一步步变为直观、专业的降雨分布图。

二、打开 NOAA 气象档案

首先需要将 NOAA 气象数据导入到 QGIS 软件中，本次从 NOAA 下载的数据是以 .csv 结尾的表格文件。在计算机看来，这只是单纯的一堆文字和数字，我们需要通过特定的步骤告诉软件：“哪一列是坐标，哪一列是雨量”。

在开始菜单中找到OSGeo4W文件夹，然后选择其中的QGIS Desktop，打开软件：

图1 在开始菜单中找到QGIS并打开

启动 QGIS 后，在软件顶部的菜单栏找到图层（Layer）——添加图层（Add Layer）——添加分隔文本图层（Add Delimited Text Layer）：

图2 选择添加分隔文本图层

点击后，屏幕上会弹出数据源管理器。点击右上角的浏览按钮，在电脑文件夹中找到并选中下载的附件 csv 文件。选中后，软件会自动预览文件内容并完成设置，通常情况下保持默认即可。最后，点击右下角的 Add，完成添加并点击关闭窗口：

图3 数据源管理器参数设置

可以看到，原本空白的地图画布上出现了一系列散落的点，这些点正是各个气象观测站的地理位置，说明我们已经成功打开了气象档案，为接下来的降雨量分析做好了准备：

图4 导入完成后的效果

三、进行空间插值

数据点导入成功后，我们就要开始将这些零散的点铺成一张连续的面。在 QGIS 中，这个过程需要用到工具箱，点击软件顶部菜单栏的处理（Processing），选择工具箱（Toolbox）。此时界面的右侧会弹出一个包含各种功能的侧边栏，在工具箱顶部的搜索框中，输入“IDW”三个字母。在搜索结果中，找到并双击IDW 插值（IDW Interpolation）工具：

图5 打开工具箱

图6 搜索并打开IDW工具

双击后会弹出一个设置窗口，首先矢量图层（Vector layer）一栏，确保选中了刚导入数据名。接下来的插值属性（Interpolation attribute）需要选择代表降雨量的列名，通常 NOAA 数据中是 PRCP。选好后，点击右侧绿色的“+”号按钮，将数据添加到计算列表中：

图7 添加数据集

接下来要设定地图的范围和清晰度，向下滚动窗口，找到范围（Extent）选项，直接点击右侧的按钮，自动生成的雨量图就会自动覆盖所有气象站所在的区域。最后将下方的行（Rows）的数值设置为 1000 左右，软件会自动计算像素大小。数值越大，地图越清晰，但处理速度会稍慢：

图8 修改参数

点击窗口底部的运行（Run）按钮，只需几秒钟，计算就会完成。此时关闭对话框，可以发现地图上多出了一个正方形的黑白图层。在 GIS 软件中，默认生成的插值结果通常是黑白的，颜色越亮代表数值越高，也就是降雨量越大；颜色越暗代表降雨量越小。接下来，我们需要给照片上色，并画出专业的等值线。

图9 计算结果

四、绘制地图等值线

黑白渐变图虽然科学地反映了降雨趋势，但很难直接读出具体的降雨数值。这时就需要像绘制地形图那样，画出等雨量线。在 QGIS 顶部菜单栏中找到栅格（Raster）菜单，点击展开后选择提取（Extraction），再点击等值线（Contour）。这个工具的作用，就是让计算机自动寻找降雨量数值相同的位置，并将它们连接成线，就像是用笔把地图上降雨量一样的点连起来：

图10 打开等值线绘制

在弹出的等值线设置窗口中，我们需要做两个重要的决定。首先输入图层一定要选择之前刚刚生成的那个插值结果。其次是设置等值线间距，这个数值决定了地图上线条的疏密程度。在雨量差异小的情况下，可以输入 0.02；如果差异较大，可以输入 5。设置好后，点击底部的 Run 按钮：

图11 修改参数

运行结束后，可以看到地图上覆盖了新的线条，这就是等值线图层。但此时线条通常是单一颜色的，且没有数字标记，无法明确每条线代表多少雨量，我们需要给线条加上标签。在左侧图层面板中，右键点击刚刚生成的等值线图层，选择属性（Properties）。在弹出的属性窗口左侧列表中，点击标签（Labels）选项卡：

图12 打开属性

在标签设置界面顶部可以看到默认选中的是无标签（No Labels），点击下拉菜单将其改为单值标签（Single Labels）。接着在下方的值（Value）一栏中，选择 ELEV（QGIS 默认将提取的数值存储在这个字段中，代表 Elevation/高度，在这里即代表雨量值）。点击确定回到地图画布，可以发现线条上清晰地标注了数字，哪里的雨下得大，哪里的雨下得小，已经一目了然了：

图13 修改标签

图14 标签的效果

五、了解降雨分布规律

现在等值线图虽然已经带有了数字标记，但底图依然是单调的黑白渐变，并不符合对降雨的直观感受。为了更清晰地洞察降雨规律，需要给地图上色。在左侧图层面板中，右键点击黑白的插值结果图层，再次选择属性（Properties）。这一次点击左侧的符号化（Symbology）选项卡，在顶部的渲染类型（Render type）的下拉菜单中选择单波段伪彩色（Singleband pseudocolor）：

图15 修改为彩色

接下来需要选择一种合适的颜色方案。在颜色渐变（Color ramp）选项中，点击下拉箭头。对于降雨图，通常用蓝色代表湿润，红色或黄色代表干燥，或者使用深蓝到浅蓝的渐变。因此可以选择 Blues（蓝色系）或者 Spectral（光谱色）。选好颜色后，点击左下的分类（Classify）按钮，软件会自动将数值分段并赋予颜色，最后点击确定。回到地图上，便能看到彩色状态：

图16 选择预设并分类

图17 修改后的效果

但现在的地图悬浮在白色的背景上，不知道这些降雨中心具体位于哪个区域。为了解决这个问题，我们需要添加一张真实的地图作为背景。在 QGIS 界面左侧的浏览器（Browser）面板中，找到“XYZ Tiles”文件夹，展开它，双击“OpenStreetMap”。此时一张全球通用的电子地图会出现在图层列表中，但图层是有上下层级关系的。我们需要在图层面板中，用鼠标左键按住 OpenStreetMap图层，把它拖拽到最下方：

图18 选择地图

图19 拖拽图层至最下方

为了便于观察，还需要修改透明度。在左侧图层面板中，右键点击那个彩色的 Interpolated 图层，在弹出的菜单中选择 Properties（属性）。然后在弹出的窗口左侧列表中，点击 Transparency（透明度）选项卡。找到 Global Opacity（全局不透明度）这一栏，将其调整到 50% 或 60% 左右，点击窗口底部的确定：

图20 修改透明度

图21 修改后的最终效果

至此，我们就完成了绘制。透过半透明的色彩和等值线，可以有效观察城市的降雨分布规律。